■罗剑峰陈健美谢克光袁彦波杨震宇易海清刘孟祥（.湖南涉外经济学院机械工程学院；.长沙华艺工程设计有限公司）

水泥和沥青建筑材料对太阳能量吸收特性

■罗剑峰1*陈健美1谢克光2袁彦波2杨震宇1易海清1刘孟祥1
（1.湖南涉外经济学院机械工程学院；2.长沙华艺工程设计有限公司）

采用5780 K的黑体模拟太阳辐射，在未考虑与大气作用的情况下，运用谱带模型研究水泥和沥青两种建筑材料对太阳能量的平均反射率。研究显示，水泥砂浆对太阳能量的反射率不超过40％；沥青对太阳能量的反射率仅为5.5％，是一种太阳能量的强吸收性材料。

温室效应；太阳辐射；反射率；城市化进程；建筑材料

0　引言

现代经济和科技的发展使城市化进程不断加快，大量城市建筑拔地而起。对于南方城市，夏季建筑物外表面对太阳能量的吸收会导致室内温度升高，从而要开启空调向室外大气环境散热，这相当于建筑物外表面吸收的太阳能量最终用来加热大气。另一方面，空调机运行所耗电能由锅炉烧煤产生，从而还造成CO2等温室气体排放，且煤燃烧直接加热大气，进一步加剧地球温室效应。因此，建筑物外表面对太阳能量的吸收对温室效应具有多重影响，应当提高人们对建筑外表面材料对太阳能量吸收特性的认识。

节能减排，充分利用风能和太阳能发电、采暖等，从而减少对化石能源的消耗，是控制地球温室效应的有效措施。2015年，韩中合等［1］研究了利用太阳能热作为CO2吸收剂解吸的脱碳及脱硝系统；叶学民等［2］研究了集成新能源的燃煤机组发电系统节能减排问题；刘华财等［3］研究了生物质气化发电能耗和温室气体排放问题。2014年，王璋元等［4］研究了新型环路热管太阳能热水系统节能减排；针对工业低温余热的高效综合回收，杨卫卫等［5］提出了一种带中间换热器的双热源高温热泵系统；王如竹等［6］对家用空气源热泵空调、供暖与热水系统设计过程中的一些问题进行了研究。

本文运用分光光度计对不同水泥与砂子配比的水泥砂浆和沥青建筑材料的光谱反射率进行测量，并结合谱带模型概念研究其对太阳能量的吸收特性。

1　黑体辐射基本定律

普朗克定律揭示了黑体单色辐射出射度与波长和温度的关系，可表示为：

式中，λ为波长，m；T为黑体温度，K；C1为第一辐射常数，C1=3.742×10-16W·m2；C2为第二辐射常数，C2=1.4388×10-2W·K。

由普朗克定律可推导出斯蒂芬-波尔兹曼定律：

式中，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，σ= 5.67×10-8W/（m2·K4）。

若把太阳看作温度为5780 K的黑体，则依据普朗克定律可画出太阳辐射能量随波长的变化，如图1所示。由图1可知，太阳辐射能量的最大值位于可见光波段（0.38～0.76 μm）的0.5 μm左右。

图1　5780 K黑体的单色辐射出射度随波长的变化

2　实际物体辐射特性

2.1实际物体辐射特性参数是波长变化引起的复杂函数

黑体和灰体都是理想化的物体，其辐射特性参数与波长无关，但实际物体的辐射特性参数，如反射率，则随波长的变化呈现出很复杂的变化关系。

设温度为T的黑体在波长λ附近的单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射能量为Ebλ，即普朗克定律式（1），该能量入射在物体不透明表面后，一部分被反射qλ′，另一部分则被吸收qλ″（）

qλ″=Ebλ-qλ′，因此物体不透明表面的平均光谱反射率ρλ和平均光谱吸收率αλ可分别定义为：

根据基尔霍夫定律，物体的光谱发射率ελ等于光谱吸收率αλ，即：

实际物体的光谱反射率不仅与入射方向有关，还与反射方向有关，通常用式（3）来定义平均光谱反射率，相当于假设实际物体表面为漫反射。

物体反射黑体在全波段λ∈（）0，∞发射的总能量为：

黑体在全波段发射的能量即为式（2），因此物体对黑体全波段发射能量的平均反射率ρ可表示为：

可以推得物体对来自黑体全波段辐射的平均吸收率α为：

又根据基尔霍夫定律，物体的发射率ε等于吸收率得：

2.2实际物体辐射特性的谱带模型描述

由于实际物体的辐射特性参数，如光谱反射率，是波长λ很复杂的函数，并且很难拟合出一个关系式来描述这种变化关系，因此式（7）事实上无法积分求解。为了解决这一困难，通常利用谱带模型的概念来研究实际物体的辐射特性。所谓谱带模型是指根据实际物体的辐射特性曲线，在一定波段内将该辐射特性参数看作是常数，只要划分的谱带足够多，则建立起的谱带模型能够真实反映实际物体的辐射特性。

设在全波段λ∈（0，∞）内，物体的辐射特性参数可划分为N1个谱带区间，对于第k个谱带区间［λ1，λ2］，反射率ρλ可看作常数ρk，下标k表示谱带模型k区域，则物体反射来自黑体在谱带k发射的能量为：

式中，由于在谱带k的波长区间［］λ1，λ2内，ρλ可看作常数ρk，故可从积分号中提出放到积分号前面，而积分号里面的项是普朗克定律表达式，是可以积分的，从而大幅简化了所研究问题的复杂性。

定义在谱带k黑体发射的能量占全波段辐射的能量份额为Ak，即：

式中，只要已知第k个谱带区间的上、下限波长λ2和λ1，即可求出Ak的值，Ak值的取值范围在0～1之间。

运用Ak的定义可将式（10）改写为如下形式：

引入谱带模型概念后，物体在全波段反射来自黑体的辐射能量可表示为：

因此，将上述结果代入式（7）可求得物体对来自黑体全波段发射能量的平均反射率：

3　水泥砂浆和沥青对太阳能量的平均反射率

我们制作了常见的建筑外墙表面装饰材料试件，包括33种瓷砖、10种大理石、不同配比的水泥砂浆和沥青、不同颜色的墙漆等，为满足实验仪器的测量要求，利用角向磨光机将瓷砖、大理石等切割成尺寸为60 mm×60 mm的小块。下文着重介绍水泥砂浆和沥青两种建筑材料对太阳能量吸收特性的研究。

测量光谱反射率所采用的仪器为分光光度计，型号为：U-4100 Spectrophotometer（Hitachi），该仪器测量波长范围为190～2600 nm。计算表明，在该波长范围黑体在5780 K（模拟太阳辐射）发射的辐射能量占全波长辐射能量的96.8％，因此，我们所研究的波长范围已充分包含太阳的辐射波长区间。

3.1水泥砂浆试件的光谱反射率比较

3.1.1水泥砂浆试件的光谱反射率

水泥是一种非常常见的建筑材料，通过制作不同体积的沙子与水泥比例的样品，研究其对太阳能量的平均反射率。沙子取自建筑工地，水泥采用复合硅酸盐水泥，型号为XK08-001-03176。将一定体积比的水泥与砂子混合均匀，再加适量水搅拌均匀，然后填充于事先制好的模具中抹平、干燥成型。

定义比率α为：

α=沙子体积/水泥体积（15）

不同α试件的光谱反射率如图2所示。由图2可知，各曲线随波长的波动规律相似，但光谱反射率随α的变化未呈现出特定规律。

图2　水泥砂浆光谱反射率

3.1.2水泥砂浆对太阳能量的平均反射率

纯水泥（α=0）光谱反射率谱带区间的划分如图3和表1所示。

图3　纯水泥光谱反射率谱带区间划分（α=0）

表1　纯水泥光谱反射率谱带区间划分（α=0）

不同α值时水泥砂浆光谱反射率谱带区间的划分如图4、表2所示。

图4　不同α值水泥砂浆光谱反射率谱带区间划分

表2　α在1～3时水泥砂浆光谱反射率谱带区间划分

表3　α在1/4～1/2时水泥砂浆光谱反射率谱带区间划分

根据以上数据，由式（14）可计算出不同水泥与河沙比例的水泥砂浆对太阳能量的平均反射率，计算结果见表4。

由表4可知，水泥砂浆对太阳能量的反射率不高，不超过40％，因此是一种比较强的吸收太阳能量的材料。

表4　不同α值的水泥砂浆对太阳能量的平均反射率

3.2沥青建筑材料对太阳能量的平均反射率

沥青是一种十分常见的建筑材料，由于其具有极好防水性能和耐腐蚀能力，因此在建筑物屋顶常铺一层沥青使房屋不漏水；同时沥青也常用来铺设公路。其光谱反射率及谱带区间划分如图5和表5所示。

图5　沥青建筑材料的光谱反射率谱带区间划分

表5　沥青建筑材料的光谱反射率谱带区间划分

4　结论

城市化进程导致城市面积越来越大，城市建筑外表面材料对太阳能量的吸收会导致温室效应加剧，因此应提高人们对城市建筑外表面对太阳能量的吸收与温室气体排放之间的关系的认识，为采取更多手段来减少温室气体排放提供理论依据。对于南方建筑在夏季应尽量减少城市建筑物外表面对太阳能量的吸收。

用分光光度计对水泥砂浆和沥青两种建筑材料的光谱反射率进行了测量，用5780 K的黑体模拟太阳辐射，在未考虑大气作用的情况下，运用谱带模型研究了这两种建筑材料对太阳能量的平均反射率。从本文的研究可看出：1）水泥砂浆的光谱反射率随砂子与水泥体积比参数α的变化未呈现出某种特定规律；2）水泥砂浆对太阳能量的反射率不超过40％，因此是一种较强的吸收太阳能量的材料；3）沥青对太阳能量的反射率仅为5.5％，是一种太阳能量的强吸收性材料。

［1］韩中合，王继选，刘小贞，等.太阳能-燃煤电厂污染物减排热力系统性能分析［J］.太阳能学报，2015，36（10）：2369-2376.

［2］叶学民，王佳，李春曦.集成新能源的燃煤机组发电系统节能减排潜力研究［J］.太阳能学报，2015，36（7）：1717-1723.

［3］刘华财，阴秀丽，吴创之.生物质气化发电能耗和温室气体排放分析［J］.太阳能学报，2015，36（10）：2553-2558.

［4］王璋元，杨晚生，赵旭东.新型环路热管太阳能热水系统节能减排评估［J］.太阳能学报，2014，35（10）：825-829.

［5］杨卫卫，曹兴起，何雅玲，等.一种带中间换热器的双热源高温热泵系统［J］.西安交通大学学报，2014，48（11）：70-80.

［6］王如竹，张川，翟晓强.关于住宅用空气源热泵空调、供暖与热水设计要素的思考［J］.中国电力，2014，34（1）：32-41.

［6］王如竹，张川，翟晓强.关于住宅用空气源热泵空调、供暖与热水设计要素的思考［J］.中国电力，2014，34（1）：32-41.

2016-01-24

国家自然科学基金（51276193；51176040）

罗剑峰（1968—），男，博士、副研究员，主要从事辐射换热方面的研究。luo-jianfeng@263.net